基于XDPS-400分散控制系統在響洪甸抽水蓄能電站的應用

楊 濤

（安徽省響洪甸蓄能發電有限責任公司，安徽省六安市 237335）

基于XDPS-400分散控制系統在響洪甸抽水蓄能電站的應用

楊 濤

（安徽省響洪甸蓄能發電有限責任公司，安徽省六安市 237335）

主要介紹了XPDS-400分散控制系統的技術特點、技術指標；結合在響洪甸抽水蓄能電站的首次應用，重點分析了該計算機監控系統在實現機組背靠背啟動的獨特控制方式，為國產DCS系統廣泛應用在新建大容量抽水蓄能機組上提供了可行性。

XPDS-400；計算機監控系統；背靠背

0 引言

分散控制系統（Distribiuted Control System，DCS）是20世紀70年代中期推出的一種計算機綜合型控制系統。系統設計采用了先進的大系統理論和四C（Computer Commiunication CRT Control）技術。上海新華公司自主研發的XDPS（xinhua distribiuted processing system）系統將獨立控制系統、分散控制系統DCS、監控和數據采集系統SCADA融為一體，完成實時數據采集、過程控制、高級控制、過程監視、報警檢測等操作。響洪甸抽水蓄能電站針對原計算機監控系統存在的問題，2004年將原NARI監控系統改造為上海新華公司的XDPS-400系統，該系統采用分層分布設計、應用最先進的計算機網絡通信和控制技術，集測量、控制、通信和管理等功能于一體，系統組態靈活、功能齊全、結構簡單可靠、具有很強的可擴展性和兼容性。

1 XDPS-400分散控制系統技術特點

XDPS 系列的最大特點是系統的開放性，硬件、軟件與通信都采用了國際標準或主流工業產品，構成開放的工業控制系統。

硬件——硬件跟隨計算機發展潮流。人機接口（MMI）采用標準工業PC機，分布處理單元DPU采用標準工業PC總線結構。

軟件——Windows系統軟件，以及基于Windows實時多任務操作系統RMX-X。方便直觀的符合IEC-1131-3的DPU圖形組態軟件、圖形顯示、報表、控制、記錄統計的生成工具軟件。

通信——采用成熟的計算機網絡通信技術，構成高速的冗余實時數據網，符合IEEE802.3標準，通信速率10Mbps/100Mbps。

顯示——高分辨率顯示，分辨率1280×1024或1600×1200，窗口顯示及三維空間的顯示畫面。

一體化——通過以太網（Ethernet）與其他信息網絡聯接，從工業生產過程控制、測量、生產管理信息一體化。

漢化——全漢化顯示、支持中英文顯示界面。

網絡——實時數據網（A網、B網）冗余網絡，傳遞實時數據，支持1～250個網絡節點。信息數據網（C網）實現數據庫文件與打印共享，傳遞系統非實時性文件信息。

容量——分布實時數據庫，對網上各節點透明，全局數據容量達6400點模擬量，64000點開關量。

實時性——1s內可更新所有全局點，1s內調出任何圖形顯示，50ms的控制周期。

靈活——除可接上海新華公司的I/O模塊外，通過標準的通信協議（如DNP3.0、Modbus、SC1801等），還可接其他常用的I/O系統、各種PLC、廠級MIS和其他控制系統。

發展——硬件與軟件跟隨國際工業主流產品同步發展。

功能——集過程控制、順序控制、數據監視和記錄于一體。

可靠性——系統經可靠性設計，采用冗余技術，容錯技術，雙路電源供電，保證系統MTBF≥150000h。

備件——標準化與系列化，備件種類大大減少。

維護——通道級的自診斷程序，CRT自動報警與顯示，可實現快速帶電更換，MTTR＜5min。

接地——系統要求單獨接地，接地電阻≤2.5Ω。

2 XDPS-400分散控制系統技術指標

技術指標一覽如表1所示。

表1 技術指標一覽

序號指標具體指標一覽5容量全局實時數據庫容量：6400點模擬點，64000點開關點；歷史數據庫容量：16000點，典型 3個月，最長可無限；實時畫面數量：無限；每幅畫面動態刷新點數量：無限；系統網絡節點數量，總數250個：工程師站（ENG）／操作員站（MMI）：40個；分布式處理單元（DPU）：80個；報表：基于Excel，數量與容量沒有6系統負荷率操作員站（MMI）：＜40%；分布式處理單元（DPU）：＜40%；系統網絡：＜30%7可靠性措施冗余電源；冗余分布式處理單元（DPU）；冗余系統網絡；冗余I/O模塊；帶電更換扳件；模出保持（系統不失電）；系統可靠性評價：系統平均無故障工作時間（MTBF）和可用率：系統MTBF不低于150000h；系統可用率不低于99.95%

3 響洪甸抽水蓄能電站計算機監控系統配置

響洪甸抽水蓄能電站于2004年將原有NARI監控系統改造為上海新華公司XDPS-400計算機監控系統，XDPS-400主要由分布式處理單元DPU、人機操作接口站MMI、前置I/O采集系統、直流開關電源模塊以及網絡系統組成。DPU采用標準工業PC總線結構；人機接口站采用標準工業PC機；實時數據網具備A、B雙網冗余，符合IEEE802.3標準，通過以太網與其他信息網絡聯接；每個機構具備雙處理單元，雙路電源供電；硬件采用國際標準或主流工業產品。

3.1 結構配置

控制柜配置如表2所示，I/O卡件配置如表3所示。

表2 控制柜配置

表3 I/O卡件配置

3.2 網絡拓撲配置

監控拓撲如圖1所示。

圖1 響洪甸抽水蓄能電站監控拓撲圖

4 響洪甸抽水蓄能電站背靠背啟動工況流程的研究

響洪甸抽水蓄能電站裝機為2臺（5號機組、6號機組）單機容量為40MW/55MW可逆式水泵水輪機，發電機出口母線電壓為10.5kV，變壓器組單元接線，通過升壓后變為220kV，單出線接入崔莊變電站，響洪甸抽水蓄能電站共有23種運行工況，接入系統在線運行的有10種，即發電工況、發電調相工況、高轉速水泵工況（SFC/BTB）、低轉速水泵工況（SFC/BTB）、高轉速水泵調相工況（SFC/BTB）、低轉速水泵工況（SFC/BTB），主要以背靠背這一典型工況流程來介紹XPDS-400的獨特控制方式，響洪甸抽水蓄能電站電氣主接線如圖2所示。

4.1 背靠背流程

4.1.1 工況過程

圖2 響洪甸抽水蓄能電站電氣主接線圖

監控流程實現：其中以6號機組對拖5號機組為例，通過5號機組啟動方式9—機組靜止到水泵工況（BTB）開始背靠背啟動，機組拖動啟動過程中，主流程調用的子程序較多，涉及到機組停機到水泵調相（BTB）、機組水泵調相到水泵工況、機組停機到啟動對拖發電機、機組啟動對拖發電機到停機。

（1）機組停機到水泵調相（BTB）階段。

第一步：狀態預置、電氣設備操作、輔助設備操作1。

操作：選擇5號機組同期裝置，置5號機組高轉速工況、合5-1DL、合5-3DL、合5-4DL、合52DL、 合45DL、投高壓減載油泵、打開主軸密封水電磁閥、打開主用冷卻水電磁閥、關閉停機密封供氣電磁閥、釋放制動風閘。

反饋：5-1DL在合位、 5-3DL在合位、5-4DL在合位、52DL在合位、 45DL在合位、主軸密封冷卻水投入、高壓減載油泵投入、制動風閘退出。

第二步：置勵磁、壓氣系統。

操作：置勵磁為高轉速水泵工況、打開轉輪室壓水充氣電磁閥、打開轉輪室壓水保氣電磁閥、打開消水環管密封電磁閥。

反饋：5號機組滅磁開關合位置、轉輪室壓氣水位為轉輪下1.4M、消水環管密封電磁閥投入。

第三步：同期裝置啟動。

操作：同期裝置發令合5DL。

反饋：出口開關5DL在合位。

第四步：輔助設備操作2。

操作：分45DL、退高壓減載油泵、打開主軸密封水電磁閥、打開轉輪室壓水充氣電磁閥、關閉轉輪室壓水保氣電磁閥。

反饋：機組轉速大于或等于95%額定轉速、45DL在分位、高壓減載油泵退出，勵磁系統無故障、水泵調相工況保護投入。

（2）機組水泵調相到水泵工況階段。

第一步：輔助設備操作1。

操作：退調速器接力器鎖錠、打開蝴蝶閥。

反饋：蝴蝶閥全開、調速器接力器鎖錠拔出、導葉在全關位置。

第二步：輔助設備操作2。

操作：打開轉輪室壓水排氣電磁閥、打開轉輪室均壓排氣電磁閥、關閉轉輪室壓水充氣電磁閥、關閉轉輪室壓水保氣電磁閥、置水泵工況開導葉令。

反饋：壓水充氣閥退出、導葉后壓力監視118SP、120SP動作。

第三步：開機操作。

操作：關閉止漏密封水電磁閥、關閉壓水排氣電磁閥、關閉均壓排氣電磁閥、關閉消水環管密封電磁閥、發調速器開機令。

反饋：導葉40%開度位置、壓水排氣電磁閥退出、均壓排氣電磁閥退出、消水環管密封電磁閥退出。

第四步：信號復歸。

操作：機組啟動信號送拖動系統。

反饋：水泵工況保護投入。

（3）機組停機到啟動對拖發電機。

第一步：狀態預置、電氣回路操作、輔助設備操作、釋放制動風閘。

操作：置調速為對拖發電工況、合6-2DL、6-5DL 6-6DL、 63DL、 6DL、打開主軸密封水電磁閥、打開主用冷卻水電磁閥、打開止漏密封冷卻水電磁閥、打開調速器接力器鎖錠、釋放制動風閘、打開蝴蝶閥、投高壓減載油泵、關閉停機密封供氣閥。

反饋：蝴蝶閥全開、高壓減載油泵投入、調速器油壓設備正常、調速器接力器鎖錠拔出、制動風閘退出。

第二步：置勵磁。

操作：勵磁啟勵，置勵磁系統為對拖發電工況。

反饋：6號機組滅磁開關合位置。

第三步：送調速器開機。

操作：調速器開機操作。

反饋：6號機組低轉速大于或等于95%、5DL合閘位置。

第四步：退高壓減載油泵。

操作：退高壓減載油泵。

反饋：高壓減載油泵退出。

根據聯合國糧農組織最新統計，中國大蒜出口約占世界大蒜貿易量的90%，在國際市場上具有較強的競爭力[1]。大蒜的使用價值使得人們越來越重視大蒜的種植；但是，由于大蒜不規則的外形，使得蒜農很難實現大蒜的種植要求。我國大蒜的播種還是以人工為主，主要采用鋤頭或者犁開淺溝、人工點播蒜種和覆土等播種方式，雖然這種方式有利于大蒜的生長，但是勞動強度大、效率低，需要耗費大量的工時，生產成本大大提高，達不到農民的合理收益[2-4]。

（4）機組啟動對拖發電機到停機。

第一步：電氣設備操作。

操作：分6DL、63DL、發調速器停機、投二段關閉電磁閥、投高壓減載油泵、退勵磁系統（逆變滅磁）。

反饋：6DL在分位、63DL在分位、導葉全關位置、45DL在分位、二段關閉電磁閥打開、高壓減載油泵投入、6號機組滅磁開關在分位。

第二步：投機械制動。

操作：投制動風閘。

反饋：制動風閘投入。

第三步：輔助電氣設備操作。

操作：退高壓減載油泵、關閉主軸密封水電磁閥、關閉主用冷卻水電磁閥、關閉止漏密封冷卻水電磁閥、關閉二段關閉電磁閥、投調速器接力器鎖定、打開停機密封供氣電磁閥。

反饋：調速器接力器鎖定投入、高壓減載油泵退出，主軸密封冷卻水關閉、二段關閉電磁閥退出、停機密封供氣電磁閥投入。

第四步：電氣回路復歸。

操作：分6-2DL、分6-5DL、分6-6DL，置保護為電制動工況、置保護為停機倒送電工況。

反饋：6-2DL在分位、6-5DL在分位、 6-6DL在分位置，保護為停機倒送電工況模式。

4.1.2 監控軟件實現

響洪甸抽水蓄能電站背靠背啟動流程步序控制模塊采用條件觸發、故障超時保護，每一步的觸發條件為上一步序的反饋信號（具體各步命令及反饋見背靠背啟動流程），其中各步故障超時時間設定，機組停機到水泵調相（BTB）流程：第一步為5000s，第二步為5000s，第三步為5000s，第四步為5000s；機組水泵調相到水泵工況流程：第一步為3000s，第二步為3000s，第三步為3000s，第四步為2000s；機組停機到啟動對拖發電機流程：第一步為5000s，第二步為5000s，第三步為5000s，第四步為5000s；機組啟動對拖發電機到停機：第一步為2000s，第二步為2000s，第三步為2000s，第四步為2000s；背靠背流程順控執行框圖如圖3所示。

圖3 背靠背流程框圖

4.1.3 當今幾個主流監控系統對比

據不完全統計，目前大多數抽水蓄能電站主要以安德里茨、南瑞監控為主，應用較為成熟，但造價昂貴，維護費用較高，尤其對于在背靠背啟動方面，國外設計要求非常嚴格，步序嚴謹，但是對于國內自主研發的DCS，新華控制在實現背靠背方面有著自己獨特的一面。

（1）流程清晰、步序緊湊，采用上海新華公司自主研發的步序控制模塊，尤其應用于背靠背啟動中的STEP模塊，嚴格執行內部程序進行控制，在國外監控系統中并不多見。

（2）采用高性能的邏輯模塊，進行簡單的邏輯運算，將復雜的程序軟件集成為可視化的編程模塊，對實現特殊的功能采用特定模塊，編程畫面更加人性化，便于各站監控人員編程應用，各個模塊匹配緊湊，相對于國外的監控系統，查找故障更加容易。

（3）控制精準，實現簡單，對于抽水蓄能電站來說，背靠背啟動要求比較高，需要拖動機與被拖動機各個方面的配合，匹配的好壞將直接影響啟動的成功率，新華監控系統采用獨特的內部計算算法，對背靠背啟動時兩臺機組的瞬時數據進行采集計算、反饋，控制精度達到毫秒級，可靠性非常高。

該蓄能電站計算機監控系統編程的可視化、模塊化使得控制流程結構更為清晰明了，極大的方便了操作人員及時準確地了解流程的進行情況。該系統自2004年5月在響洪甸抽水蓄能電站投入運行以來，讓該電站在安徽電網中的作用得到更充分的發揮，進一步提高了電站在系統中的穩定性和可靠性。

5 結束語

XDPS-400系統首次應用在抽水蓄能機組中，其運行的穩定性和優良的調節品質，使機組各項技術經濟指標都達到優良水平，為國產DCS系統廣泛應用在新建大容量抽水蓄能機組上提供了可行性，不僅可以降低工程造價，而且由于組態軟件及界面完全漢化，方便了電站運維人員的操作工作。

[1] 劉淑平，李大中，梁樹英.XDPS-400計算機分散控制系統[J].電力設備，2003，4（1）．

[2] 汪軍，張紅芳，張啟明.大中型抽水蓄能電站控制與保護設備的國產化研究.2004年全國抽水蓄能學術年會論文集，2004.

[3] 劉景民．響洪甸抽水蓄能電站計算機監控系統的研究．大連理工大學，2007．

[4] 新華控制工程有限公司.中國人自己的DCS系統—國家重點新產品XDPS-400.機電新產品導報，2000，（7-8）．

[5] 汪軍，張紅芳，周慶忠.我國抽水蓄能電站計算機監控技術評析.水電自動化與大壩監測，2002，26（1）．

楊 濤（1990—），男，大學本科，助理工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站電氣維護。E-mail：yt19900318@163.com

The Application of XPDS-400 Distributed Control System in XiangHongDian Pumped-storage Power Station

YANG Tao
（Anhui province Xiang HongDian energy storage power generation co.，LTD，Liuan 237335，China）

Mainly introduced the XPDS-400 distributed control system technicalcharacteristics，technical indicators；Xiang HongDian pumped-storage power station in rang the first application of the computer monitoring system are emphatically analyzed in unique control mode to start the back-to-back，for domestic DCS system is widely used in large capacity of pumped storage unit provides a new feasible.

XPDS-400；distributed control system；BTB